Η Ανάσυρση Φωτονίων Θα Μπορεί να Επεκτείνει το Δυναμικό του Ηλιακού Υδρογόνου

Όταν πρόκειται για τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε χρήσιμη ενέργεια, πολλές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στις φωτοβολταϊκές κυψέλες, καθώς αυτή είναι μια μέθοδος που μπορεί να μετατρέπει μεγάλο μέρος της ενεργειακής εκπομπής του Ήλιου σε ηλεκτρισμό.

Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι είναι η πιο αποδοτική επιλογή για όλες τις εφαρμογές. Για παράδειγμα, εάν ο στόχος είναι η παραγωγή πράσινου υδρογόνου, δημιουργείται μια πολυβήμα διαδικασία όπου η αποδοτικότητα χάνεται σε κάθε βήμα: ηλιακό φως → ενέργεια → μετάδοση → ηλεκτρόλυση → υδρογόνο.

Γι’ αυτό έχουν διερευνηθεί διαφορετικές προσεγγίσεις, κυρίως η άμεση χρήση του ηλιακού φωτός για τη μετατροπή του νερού σε υδρογόνο, μια διαδικασία γνωστή ως φωτοκαταλυτική αντίδραση.

Το πρόβλημα είναι ότι ακόμη και με τα κατάλληλα καταλύτες, το μεγαλύτερο μέρος του ηλιακού φωτός βρίσκεται στα ορατά και υπέρυθρα φάσματα, τα οποία δεν είναι αρκετά ενέργεια για να διασπάσουν τα μόρια του νερού σε υδρογόνο. Έτσι, ακόμη και με την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής αποδοτικότητας από το πυρίτιο καρβίδιο, η κατάσταση δεν είναι ιδανική. Σε μεγάλο βαθμό, μόνο το υπεριώδες (UV) μέρος του φάσματος είναι αρκετά ισχυρό.

Γι’ αυτό η ανακάλυψη των Ιαπώνων ερευνητών του Πανεπιστημίου Kyushu και του Ινστιτούτου Μοριακής Επιστήμης, SOKENDAI, ότι μια νέα στερεά-κατάσταση μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση των επιπέδων ενέργειας των φωτονίων, μπορεί να αποτελέσει σημείο καμπής για τη μελλοντική παραγωγή πράσινου υδρογόνου. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο φημισμένο περιοδικό Nature Communications¹, με τίτλο “Στερεοχημικά προστατευμένα συστήματα π-ηλεκτρονίων για αποδοτική στερεά-κατάσταση ανάσυρση φωτονίων”.

Από το Ορατό στο UV Φως

Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού σε υδρογόνο θα μπορούσε να ενισχύσει ριζικά την παραγωγή πράσινης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή το πράσινο υδρογόνο είναι το κλειδί που λείπει για την αποθήκευση ενέργειας κατά τη διάρκεια εβδομάδων και μηνών χαμηλού ηλιακού φωτός ή έλλειψης ανέμου, καθώς και το ιδανικό καύσιμο για την αποανθρακοποίηση τομέων όπως η ναυτιλία και η αεροπορία, είτε άμεσα είτε μέσω της παραγωγής αμμωνίας και τεχνητού καυσίμου. Δυστυχώς, μόνο το UV είναι αρκετά ισχυρό για να πραγματοποιήσει τη φωτοκαταλυτική αντίδραση.

«Παρόλο που οι ανόργανοι φωτοκαταλύτες που χρησιμοποιούν υπεριώδες (UV) φως έχουν επιτύχει υψηλής αποδοτικότητας φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού, υποφέρουν από το χαμηλό ποσοστό UV στο ηλιακό φως (περίπου 3% για το εύρος 300–400 nm).»

Ωστόσο, η εναλλακτική λύση δεν είναι ένας καλύτερος καταλύτης, αλλά η μετατροπή του πολύ πιο άφθονου ορατού φωτός σε UV, ή «ανάσυρση φωτονίων».

Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε μια διαδικασία που ονομάζεται ανάσυρση φωτονίων βασισμένη στην εξόντωση τριπλέτων–τριπλέτων (TTA-UC). Στην πιο απλή εξήγηση, αυτή συγχωνεύει δύο φωτόνια χαμηλής ενέργειας σε ένα μόνο φωτόνιο υψηλότερης ενέργειας, με την απορρόφηση τους από ένα μόριο αποδέκτη πριν την επανεκπομπή.

Πηγή: Nature

Βελτιστοποίηση της Σταθερότητας της Ανάσυρσης Φωτονίων

Από το Υγρό στα Κρυστάλλους

Μέχρι τώρα, οι μέθοδοι ανάσυρσης που χρησιμοποιούν μόρια όπως το 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) και το 2,5-diphenyloxazole (PPO) έχουν καλές κβαντικές αποδόσεις (ΦUC), αλλά η ευαισθησία των διαλυτών αποτελεί κρίσιμο περιορισμό για τις εφαρμογές σε συσκευές και τη μακροπρόθεσμη χρήση.

Μια πρακτική λύση είναι η ανάγκη για σταθερά υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα, με ελάχιστη ή μηδενική συντήρηση, ώστε ολόκληρα πεδία φωτοκαταλυτικών μετατροπέων να μπορούν να αναπτυχθούν για τη μαζική παραγωγή πράσινου υδρογόνου.

Σε κρυστάλλους και στερεούς αποδέκτες, ένα φαινόμενο που ονομάζεται σίγνωση singlet μπορεί να μειώσει την κβαντική απόδοση.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υποκατάσταση αλκυλικής αλυσίδας (προσθήκη μεγαλύτερων αλυσίδων άνθρακα) στα οργανικά μόρια που χρησιμοποιούνται ως αποδέκτες, προκειμένου να αυξήσουν τη σταθερότητα και να μειώσουν τις περιπτώσεις σίγνωσης singlet.

Πηγή: Nature

Μέτρηση της Απόδοσης των Κρυστάλλων

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μόριο που ονομάζεται DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) με σχεδόν τέλεια κβαντική απόδοση 96% όταν βρίσκεται σε υγρή μορφή (διάλυμα). Ωστόσο, η απόδοση μειώνεται σημαντικά όταν βρίσκεται σε κρυσταλλική μορφή.

Με την προσθήκη των επιπλέον αλκυλικών αλυσίδων στο μόριο, η κρυσταλλική μορφή του DHI μπορεί να φτάσει κβαντικές αποδόσεις έως 64%-69%. Αυτά τα υψηλά αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι τα μόρια δότη διασκορπίζονται ομοιόμορφα μέσα στον κρύσταλλο αποδέκτη, επιτρέποντας αποδοτική ευαισθητοποίηση τριπλέτων.

Πηγή: Nature

Το υλικό θα μπορούσε επίσης να παραχθεί με απλές τεχνικές δημιουργίας φιλμ, όπως η χύτευση σε θερμοκρασία δωματίου και η στρόβιλη επίστρωση, χωρίς την ανάγκη ειδικής θερμικής επεξεργασίας, καθιστώντας το πιο πιθανό να είναι σχετικό για μελλοντικές βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας.

Η διαδικασία είναι επίσης ανθεκτική στο οξυγόνο και ακόμη το απαιτεί, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να πραγματοποιείται σε κλειστό, χωρίς οξυγόνο περιβάλλον, ένα ακόμη σημαντικό στοιχείο για τις εμπορικές εφαρμογές.

«Η TTA-UC ενεργοποιείται όταν το οξυγόνο στο σύστημα καταναλώνεται με μετατροπή σε singlet οξυγόνο. Η μεμβράνη iBu-DHI/Ir(ppy)3 εμφάνισε ανάσυρση στον αέρα ακόμη και υπό έντονη ακτινοβολία (λdt = 370 nm, Iex = 2.0 W cm–2) για περισσότερο από 1 ώρα.»

Πηγή: Nature

Η απόδοση των κρυστάλλων εξαρτάται γενικά από τη μικροσκοπική δομή σε ατομικό επίπεδο. Έτσι, οι ερευνητές πρώτα πραγματοποίησαν θεωρητικούς υπολογισμούς για να καθορίσουν τη πιθανή δομή αυτών των κρυστάλλων.

Στη συνέχεια, έλεγξαν τον κρύσταλλο με κρυστογραφία X-ray και διαπίστωσαν ότι τα πρότυπα διάθλασης X-ray των μονοκρυστάλλων και των φιλμ με στρόβιλη επίστρωση ήταν παρόμοια, αποδεικνύοντας γιατί αυτή η μέθοδος λειτούργησε.

Πηγή: Nature

Αυτό δεν σημαίνει ότι οι κρύσταλλοι δεν θα μπορούσαν να βελτιστοποιηθούν περαιτέρω, με ακόμη υψηλότερη απόδοση θεωρητικά εφικτή μέσω πιο ακριβούς μεθόδου ελέγχου της δημιουργίας των μεμονωμένων κρυστάλλων και της οργάνωσής τους σε λεπτό στρώμα.

«Η απόδοση του τρέχοντος στερεά-κατάστασης συστήματος Vis-to-UV TTA-UC θα μπορούσε να βελτιωθεί περαιτέρω με τη βελτιστοποίηση της μοριακής δομής του δότη και τη χρήση ελεγχόμενης διαδικασίας κρυστάλλωσης.»

Μελλοντικές Εφαρμογές

Αυτή τη στιγμή, η παραγωγή υδρογόνου κυριαρχείται από το «γκρι υδρογόνο» που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, ενώ ένα μικρό αλλά αυξανόμενο τμήμα παράγεται από ανανεώσιμη ενέργεια, ή «πράσινο υδρογόνο», το οποίο εξακολουθεί να δυσκολεύεται να είναι οικονομικά ανταγωνιστικό με άλλα καύσιμα.

Τελικά, η άμεση χρήση του ηλιακού φωτός για την παραγωγή υδρογόνου, χωρίς τη μαζική μετάδοση ενέργειας, μπαταρίες, καλώδια και ηλεκτροκαταλύτες, θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το συνολικό κόστος μιας τέτοιας εγκατάστασης. Η απουσία ενδιάμεσων βημάτων θα βελτιώσει επίσης τη συνολική ενεργειακή αποδοτικότητα της παραγωγής πράσινου υδρογόνου, ένα σοβαρό ζήτημα με τις μεθόδους που χρησιμοποιούν ηλεκτροκαταλύτες.

«Η αρχή σχεδίασης των π-προστατευμένων χρωμοφόρων DHI που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη θα επεκταθεί ευρέως σε διάφορους χρωμοφόρους. Επιτρέπει εξαιρετικές ιδιότητες TTA-UC σε λεπτές μεμβράνες που παρασκευάζονται με απλές μεθόδους στρόβιλης επίστρωσης και απόσταξης, ανοίγοντας το δρόμο για ευρείες εφαρμογές και υποσχόμενη να φέρει επανάσταση στη φωτολειτουργική χημεία που περιλαμβάνει διεγερμένα τριπλέτα.»

Τέτοια καινοτόμα στερεά υλικά με καλή σταθερότητα θα μπορούσαν να καταστήσουν εμπορικά βιώσιμα τα υλικά επόμενης γενιάς, μετατρέποντας φτωχά, άφθονα φωτόνια σε φωτόνια UV υψηλής έντασης που παράγουν υδρογόνο.

Επένδυση στην Προηγμένη Ηλιακή Ενέργεια

First Solar

Αυτή τη στιγμή, οι περισσότερες φωτοβολταϊκές πάνελ του κόσμου παράγονται στην Κίνα, χάρη στο εκτεταμένο οικοσύστημα της χώρας στην παραγωγή πολυπυριτίου και στην κατασκευή ηλιακών κυψελών.

Ωστόσο, υπάρχει άλλη τεχνολογία εκτός των ηλιακών κυψελών βασισμένων σε πυρίτιο, και ένας από τους επιζώντες της ηλιακής βιομηχανίας στη Δύση, η First Solar, ηγείται σε αυτόν τον τομέα, χρησιμοποιώντας ηλιακές κυψέλες από καδμίου τελλουρίδιο. Είναι και οι δύο πιο εύκολες στην παραγωγή (τεχνολογία λεπτών φιλμ) και έχουν υψηλότερη απόδοση από τις κυψέλες βασισμένες σε πυρίτιο, αν και με υψηλότερο κόστος για το ακατέργαστο υλικό τους.

Αυτός ο τύπος κυψέλης είναι επίσης πιο ανθεκτικός, κάτι που μπορεί να αλλάξει την εξίσωση τόσο για τους ιδιοκτήτες κατοικιών όσο και για τις εταιρείες κοινής ωφέλειας όταν υπολογίζουν το κόστος ζωής μιας ηλιακής κυψέλης και την απόσβεσή της. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα καθώς η γρήγορη πρόοδος στην απόδοση των ηλιακών κυψελών και η μείωση του κόστους έχει επιβραδυνθεί τα τελευταία χρόνια.

Πηγή: First Solar

Καθώς η παραγωγή κυψελών από καδμίου τελλουρίδιο είναι μια κυρίως αυτοματοποιημένη διαδικασία κατασκευής, είναι σχετικά λιγότερο ευαίσθητη στις διαφορές του κόστους εργασίας. Αυτό μπορεί να κάνει την παραγωγή της σε δυτικές χώρες πολύ πιο ανταγωνιστική, ειδικά όταν πωλείται τοπικά, και αφαιρεί τα έξοδα αποστολής από την εξίσωση.

Αντί για πολλαπλές εργοστάσια, με κάθε φορέα εξειδικευμένο σε ένα τμήμα όπως η εξαγωγή πολυπυριτίου, και με πολλές ημέρες για την παραγωγή μιας ηλιακής κυψέλης, η First Solar μπορεί να περάσει από τις πρώτες ύλες στο τελικό προϊόν σε λιγότερο από 4 ώρες.

Πηγή: Department Of Energy

Μακροπρόθεσμα, η First Solar αναμένει να μπορεί να ανακυκλώνει πλήρως το καδμίου τελλουρίδιο από παλιές κυψέλες, και το 90% των συνολικών ηλιακών κυψελών. Το υπόλοιπο 5-10% των ανακυκλωμένων απορριμμάτων μονάδων αποτελείται κυρίως από λεπτά σωματίδια γυαλιού, τα οποία συλλέγονται από συστήματα ελέγχου σκόνης και φίλτρα υψηλής απόδοσης αερίων (HEPA).

Αυτό θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των υλικών, να αφαιρέσει το οικολογικό κόστος της εξόρυξης πόρων και να εξαλείψει τυχόν κίνδυνους μόλυνσης.

«Με κάθε μονάδα που πωλείται, προσφέρουμε επίσης την υπηρεσία να παραλαμβάνουμε τις μονάδες στο τέλος της ζωής τους και να τις ανακυκλώνουμε. Αυτό ήταν περίπου 8 χρόνια πριν την εισαγωγή κανονισμού στην Ευρώπη. Τώρα έχουμε την οδηγία για τα ηλεκτρονικά απόβλητα, όπου τα φωτοβολταϊκά είναι μέρος αυτής.»

Andreas Wade – Διευθυντής Παγκόσμιας Βιωσιμότητας στην First Solar Future Techs

Εκτός του καδμίου τελλουρίδιο, η First Solar εξερευνά επίσης ακόμη πιο προηγμένη τεχνολογία ηλιακών κυψελών, όπως οι κυψέλες περοβσκίτη και οι υβριδικές κυψέλες καδμίου τελλουρίδιο-περοβσκίτη, που θα μπορούσαν να έχουν υψηλότερη απόδοση και ακόμη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα.

Μακροπρόθεσμα, η εμπειρία της First Solar στην παραγωγή λεπτών φιλμ φωτοβολταϊκών πάνελ θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε κυψέλες φωτοκαταλύτη για την παραγωγή υδρογόνου.

Συνολικά, η First Solar αποτελεί μια εξαιρετική μετοχή για επενδυτές που επιθυμούν να επενδύσουν στην άνθιση της ηλιακής ενέργειας με έμφαση στους δυτικούς παραγωγούς, αντί για τους πιο γεωπολιτικά ευαίσθητους κινεζικούς παραγωγούς.

(Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τη First Solar στην επενδυτική μας αναφορά αφιερωμένη στην εταιρεία και για την ηλιακή ενέργεια στην αναφορά μας «Η Ηλιακή Εποχή – Ένα Φωτεινό Μέλλον για την Ανθρωπότητα»)

Τελευταία Νέα και Ανάπτυξη της Μετοχής First Solar (FSLR)

Αναφερόμενη Μελέτη

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Στερεοχημικά προστατευμένα συστήματα π-ηλεκτρονίων για αποδοτική στερεά-κατάσταση ανάσυρση φωτονίων. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://cleantechnica.com/2018/12/04/first-solar-breaks-down-its-plans-for-solar-module-recycling-spi2018/}